冻融-荷载作用下含孔隙岩石的损伤本构模型

发布时间：2020-09-11 20:14

　　随着我国经济建设的发展及“一路一带”战略的实施,寒区工程建设的数量及规模在不断加大,冻融灾害将是影响寒区工程建设的首要问题,因此,研究冻融条件下受荷岩石的损伤特性和破坏机理,对保障工程建设的安全性具有重要的理论及工程意义。岩石作为地质作用下形成的多种矿物颗粒的集合体,其颗粒间必然存在孔隙。受外界因素的作用,颗粒碎裂及内部孔隙压密、扩展,致使岩石体积不断发生变化,从而表现出不同的力学特性。因此,在探究岩石的损伤特性和本构关系时,必须充分考虑岩石体积变化的影响。将宏观唯象损伤力学和非平衡统计的方法相结合,在深入研究孔隙岩石变形破坏特征的前提下,把岩石视为孔隙、损伤与未损伤三部分,但孔隙、损伤部分不承受力,采用Weibull分布描述岩石微元强度的随机特性,基于D-P强度准则,以动态孔隙率反映荷载作用下岩石体积的变化,确立含孔隙岩石的损伤本构模型。通过峰值点处的几何条件,根据多元函数全微分方法以理论表达的形式确定模型参数。最后通过砂岩力学特性试验验证模型的合理性,并进行岩石损伤力学特性分析。考虑冻融作用对岩石损伤的影响,分别从损伤面积和微元破坏的角度方面进行探讨,得到冻融-荷载作用下的总损伤变量,从而建立了考虑冻融效应的含孔隙岩石损伤模型,并利用砂岩冻融循环和三轴压缩试验数据,验证了模型的合理性。分析讨论了损伤变量和总损伤演化率随围压和冻融循环次数的变化规律。结果表明:围压不变时,冻融循环的增加加剧了岩石的损伤,使得抗压强度降低,塑性增强;冻融次数一定时,岩石内部损伤随着围压的增大得到抑制,岩石表现为延性的不断增强,脆性逐渐减弱。在分析岩石应变软化变形全过程的基础上,通过引入损伤因子,在常温及冻融-荷载共同作用两种情况下,确定了基于残余强度的含孔隙岩石本构模型,并与试验结果及相关参考文献理论曲线进行对比分析;讨论了模型参数m和Fo对本构模型和损伤特性的影响并明确了其物理意义;探讨了冻融循环及围压对岩石应变软化性质的影响程度。
【学位单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU45
【部分图文】：

微观,受力分析,岩石,单元

2 荷载作用下含孔隙岩石的损伤本构模含孔隙岩石损伤本构模型，首先作成，荷载作用下，在轴向可简化由未损伤部分承担，如图 2.1 所示部分为未损伤部分。应力-应变关系服从广义虎克定律 iijk E 有效应力；E 与分别为完整岩应力方向发生，另外 2 个主应力

曲线,围压,红砂岩,力学参数

19(e) 围压与残余强度的关系 (f) 围压与刚达到残余强度时应变的关系图图 2.2 围压对红砂岩力学参数的影响曲线通过图 2.2 可得到，伴随围压升高，抗压强度、极值应变、弹性模量、残余强度以及刚达到完全破坏时的应变随之增大，但是达到最大抗压强度时的泊松比却减小。因此，围压是影响岩石力学参数的一个重要因素。2.4.2 损伤本构模型验证与对比将表 2.1 中的数据代入式(2.66)得到模型的理论曲线，并根据与试验曲线的拟合度，以此来检验本章提出的含孔隙岩石模型的正确性，如图 2.3 所示。由图 2.3 可知，通过本章建立的模型获得的理论曲线和试验曲线吻合较好，能够较好的反映岩石峰前及峰后软化阶段的变形特征，从而验证了模型的合理性。

不同围压,本构模型,初始阶段,孔隙

图 2.3 含孔隙岩石本构模型的验证知道，在不同围压情况下，初始阶段的曲线在加载孔隙的岩体由于受到压力的作用内部孔隙被压缩导砂岩的弹性模量变大，曲线压缩性降低，弹性段相压的升高其斜率在上升；砂岩峰值点出的横坐标应变现为峰值点右移。定的模型曲线、文献[43]模型曲线以及试验曲线对

【参考文献】